微流控芯片超快混合器及生物大分子折疊動力學(xué)應(yīng)用研究.pdf

1、生物大分子如蛋白質(zhì)或核酸的功能與其三維結(jié)構(gòu)密切相關(guān),折疊動力學(xué)研究可揭示生物大分子從自由的一級結(jié)構(gòu)形成具有活性高級結(jié)構(gòu)的動態(tài)過程,近年來倍受科學(xué)界重視。2005年,Science雜志將蛋白質(zhì)折疊列為21世紀生命科學(xué)領(lǐng)域最重要挑戰(zhàn)之一。生物大分子的折疊過程一般發(fā)生在毫秒、微秒甚至是亞微秒時間水平,而啟動折疊反應(yīng)則需在更短的時間內(nèi)完成?？焖倩旌霞夹g(shù)能使溶液在短時間內(nèi)達到完全混合從而觸發(fā)反應(yīng),是一種常被用于研究分子折疊反應(yīng)的有效手段。

2、　　大分子折疊動力學(xué)研究的傳統(tǒng)工具是停流裝置,然而毫秒級的時間分辨率和大的樣品消耗量限制了其進一步應(yīng)用,尤其是追蹤折疊早期動力學(xué)。本文基于微流控芯片連續(xù)流概念,提出了三種用于生物大分子折疊動力學(xué)研究的快速微混合器,為解決動力學(xué)研究領(lǐng)域的難點問題提供了新技術(shù)手段。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)針對低粘度溶液,發(fā)展了一種混合時間短且結(jié)構(gòu)簡單的新型Z型微混合器。通過計算流體力學(xué)模擬和實驗手段證實該混合器能在16μs內(nèi)實現(xiàn)溶液的完全混合,

3、采用該混合器研究了化學(xué)發(fā)光反應(yīng)動力學(xué)過程;在此基礎(chǔ)上,我們縮小該混合器微結(jié)構(gòu)的尺寸,可以使其混合時間縮短至5.5μs,比目前最快的混沌流混合器(其混合時間是11μs)的混合速度提高了一倍;進一步采用該Z型混合器研究了人類端粒DNA序列在金屬離子存在下形成四聚體的早期折疊動力學(xué)過程,觀察到了該DNA分子由線性結(jié)構(gòu)坍縮成發(fā)夾結(jié)構(gòu)的實驗證據(jù)。
　　(2)針對高粘度溶液,設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單,加工簡便且能快速混合的ω型混合器,通過計算流體力

4、學(xué)模擬和實際混合實驗,證明該ω型混合器能在579.4μs內(nèi)實現(xiàn)粘度為水的33.6倍的溶液的完全混合,其混合時間比文獻報道的結(jié)果縮短了約1000倍;進一步利用該混合器研究了人類端粒DNA序列在分子擁擠環(huán)境下形成G-四聚體的早期折疊動力學(xué)過程,發(fā)現(xiàn)G-四聚體在分子擁擠條件下存在亞毫秒尺度的折疊事件。
　　(3)針對樣本消耗問題,提出了微流控芯片雙水力聚焦概念,并設(shè)計了一種時間窗口寬、樣品消耗量少且結(jié)構(gòu)簡單的雙水力聚焦微混合器,通過計算

5、流體力學(xué)模擬和實驗評價,表明該混合器能有效實現(xiàn)兩種大分子的快速混合,且其對動力學(xué)反應(yīng)的時間觀察范圍達4個數(shù)量級,可涵蓋從亞毫秒到數(shù)秒鐘(710?s-5.36s),而對兩種生物大分子的樣品消耗均小于0.55μL/min,比已有文獻減少了約1000倍;利用該混合器研究了人類端粒G-四聚體與單鏈DNA結(jié)合蛋白(SSBP)的相互作用動力學(xué)過程,發(fā)現(xiàn)SSBP的結(jié)合能觸發(fā)G-四聚體的去折疊過程,且處于高濃度Na+溶液條件下的G-四聚體其去折疊速率相